半导体真空设备使用的常见真空泵常见故障原因和处理办法

　　摘要：介绍半导体真空设备使用的常见真空泵，归纳总结几种典型的真空泵常见故障原因和处理办法。

　　关键词：半导体设备真空泵； 设备维修； 故障分析； 旋片泵； 分子泵； 低温泵；

目录

　　0引言…………………………………………………………………………1

　　1常见真空泵的分类和性能指标…………………………………………………………………………2

　　2常见真空泵故障分析…………………………………………………………………………3

　　2.1旋片式油封式机械泵…………………………………………………………………………4

　　2.2旋片式油封式机械泵的常见故障现象分类…………………………………………………………………………4

　　2.3涡轮分子泵…………………………………………………………………………5

　　2.4低温泵…………………………………………………………………………5

　　3结束语…………………………………………………………………………6

　　文内图表…………………………………………………………………………7

　　图1旋片泵…………………………………………………………………………7

　　表1涡轮分子泵故障…………………………………………………………………………7

　　图2低温泵…………………………………………………………………………7

　　表2低温泵故障…………………………………………………………………………7

　　参考文献…………………………………………………………………………8

　　0 引言

　　随着经济快速增长，半导体工业也随之不断发展，真空设备在半导体行业中的应用也更加广泛，如干法类设备、真空镀膜类设备、材料生长类设备和掺杂类设备，等等。这些真空设备中用来获取真空的泵组，也成为影响设备性能的核心组件之一。为保障设备正常运行，对真空泵组的常见故障进行分析和处理也变得越加重要。

　　1 常见真空泵的分类和性能指标

　　真空泵是用以产生、改善和维持真空的装置。按其工作原理，基本上分为气体传输泵和气体捕集泵[1].区别是对气体的处理方式不同，气体传输泵是以不停吸入和排出气体来达到抽气目的的真空泵，而气体捕集泵则是将被抽气体吸附或凝结在泵内表面上来获取真空。气体传输泵又分为容积泵和动量传输泵，气体捕集泵分为吸附泵和低温泵。

　　半导体设备中常见的真空泵为油封式机械泵，干式真空泵，罗茨真空泵，分子真空泵，扩散泵和冷凝泵等。

　　各种不同的真空泵，均有方法来检测其性能，其主要性能指标有极限压力、抽气速率和流量[1].极限压力是指真空泵与检测容器相连后，长时间抽气后容器压力能达到的极限值，单位为Pa.在真空泵的吸气口处，单位时间内流过的气体量称为泵的流量，单位为Pam3/s.抽气速率则是指在真空泵吸口处，单位时间内流过的气体体积，抽气速率一般与气体种类有关，泵给定的抽气速率，如无特殊说明，多指的抽空气。通过上述3个指标，可以判断真空泵的工作性能，为真空泵的检修与维护提供判断基准。

　　2 常见真空泵故障分析及维修办法

　　2.1 旋片式油封式机械泵

　　对于中小型真空设备，旋片式油封式机械泵是最基本的真空获取设备之一，属于低真空泵，工作压力范围为101 325~1×10-2Pa.它可单独使用，也可以作为其他高真空泵的前级泵使用。旋片式油封式机械泵（图1）可用于抽取干燥气体和一定量的可凝气体。

　　2.2 旋片式油封式机械泵的常见故障现象分类

　　2.2.1 真空性能较差

　　（1）泵体内油有问题，机械泵性能表现和油的质量及纯度有着非常密切的关系。泵在使用过程中，所抽设备里的杂质和水容易通过抽气进入真空泵油中，这种情况会严重影响机械泵的性能。因此，需要经常对真空泵油进行取样观察。如泵油有颗粒沉淀物、有水沉积、色彩较暗，则需要更换泵油并检查进气口过滤器滤芯是否有损坏。注意不同种类或牌号的真空泵油不可混合使用。

　　图1 旋片泵  

　　（2）真空系统泄漏，检查设备真空系统并检漏。

　　（3）泵内部元件损坏，拆开机械泵，检查泵体旋片磨损情况，观察泵体表面是否有划痕，如泵体内较脏或有粘糊状物质，则需清洗泵体和旋片后重新安装。根据经验，如泵体和旋片磨损较轻微，清洗后泵的真空度会有所下降，需测试是否可满足设备真空性能需求。如磨损严重，则需更换旋片或泵体，由于机械泵旋片和泵体之间间隙直接影响机械泵抽气性能，一般需配合加工。如只更换其中之一，往往难以修复，需配合研磨。

　　2.2.2 机械泵无法正常旋转

　　检查机械泵的电气连接，如是三相机械泵则确定其是否缺相，单相机械泵则检查其电容。如机械泵供电正常，则需从联轴器处将机械泵拆分为电机和泵体两个部分，断电后分别手试旋转电机轴和泵体联轴器，看是否有较大阻力，如电机无法旋转则需拆开检查其内部转子和轴承是否损坏；如泵体部分卡死则需拆下泵体内旋片部分进行检查，如有必要，可清洗泵体内部。

　　2.2.3 机械泵声音异常

　　（1）输入电压问题。检查输入电压是否异常，检查电源，开关，线路连接情况。

　　（2）泵内油位太低，检查油窗，补充真空泵油。

　　（3）弹性联轴器损坏。检查联轴器是否损坏，更换元件。

　　2.3 涡轮分子泵

　　在半导体真空设备中，涡轮分子泵同样也应用十分广泛。其是利用分子牵引（高速刚体表面携带气体分子按一定方向运动的现象）以高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合实现抽气。涡轮分子泵为高真空泵，需配合前级泵使用，将其泵出口的气体抽走，其使用真空范围为1×10-1~<1×10-5Pa.涡轮分子泵内部结构比较复杂，主要故障有叶片或泵体损坏，异常振动和噪声，真空度问题，泵过热，分子泵转速波动超标或停机等[2].其中叶片或泵体损坏一般较为严重，需返厂维修。单纯泵的真空度问题原因较多，且出现概率较低，限于篇幅，不再赘述，其余故障简要分析见表1.

　　表1 涡轮分子泵故障

　　图2 低温泵  

　　表2 低温泵故障

　　2.4低温泵

　　低温泵是利用低温（低于100 K即-173.15℃）表面冷凝和吸附气体的物理过程来获得和保持真空的装置（图2）。其抽速大（理论比抽速可达11.6 L/（S×cm2），极限真空度高（1×10-13Pa），清洁无油且可以长期有效运行，在半导体真空设备中应用广泛。

　　低温泵系统主要组成部分包括制冷单元、压缩单元和辅助元件。制冷单元包括膨胀机，一、二级冷头，低温抽气冷阵和泵体。压缩单元由氦压缩机、换热器和油气分离器等构成。辅助单元则主要包括吸附器和阀门等辅助元件。低温泵常见故障见表2.

　　3结束语

　　真空泵是半导体真空设备的一个重要部分。真空泵运行情况的优劣直接影响设备的经济性和安全性。对常见泵的故障现象和维修手段进行总结，可有效节约维修时间，及时发现故障和处理，保证设备安全经济运行。

　　参考文献
　　[1]徐成海。真空低温技术与设备第二版[M].北京：冶金工业出版社，2007.
　　[2]张明君，刘有海，王文升，等，高速小型复合分子泵可靠性建模与故障分析[J].制造业自动化，2016,38（8）：101.